​非接（jiē）觸式（shì）三次元測量儀（又稱非接觸式三坐標測量儀（yí））是一種通過非接觸式傳感器（qì）獲取物體三維坐標（biāo）數（shù）據的精密測量設備，廣泛（fàn）應（yīng）用於（yú）航空（kōng）航天、汽車製造、電子（zǐ）元件、模具設計等（děng）領域。其工作原理主要基於光學、激光、圖像處理等技術，通過以（yǐ）下核心環節實現對物體的三維（wéi）測（cè）量：
一、核心工作原理框架
非（fēi）接觸式測（cè）量的本質是（shì）通過 “光學成像 + 數據計算” 替代傳統接觸（chù）式測量的探針觸碰，其原理可拆解（jiě）為 “信號發射 - 物體反射 - 數據采（cǎi）集 - 三維重建” 四個階段：
二、關（guān）鍵技術原理與類型
根據傳感器（qì）技術的不同（tóng），非接觸式三次元測量（liàng）儀主要分為以下幾類，工作原（yuán）理各有差（chà）異：
1. 激光三角測量法（最常見）
原理：
激光發射器向被測物體表麵發射一束（shù）激光（guāng）（通常為紅色半導體激光），激光束在物體表麵形成一個（gè）光斑。
光斑經物（wù）體表麵反射後，由高精度 CCD（電荷耦（ǒu）合器件）或 CMOS 圖像傳感器接收，形成反射光斑圖像。
由於物體表麵高（gāo）度不同（tóng），反射光的（de）角度會發生（shēng）變化，根據激光發射（shè）器、傳感器與物（wù）體表麵的幾何三角關係（已知（zhī）基線（xiàn）距離和角度），通過三（sān）角函數計算可得出光斑處的三維坐標（X、Y、Z）。
特點：測量速度快（單（dān）點測量時間 < 1ms），精度可達 ±1μm，適合測量薄壁件、易變形零件（如（rú）葉片（piàn）、橡（xiàng）膠件）。
2. 結構光測量法（麵掃描）
原理：
投影儀向被測（cè）物體投射一組已知（zhī）模式的結構（gòu）光（如正弦條紋（wén）、網格圖（tú）案或編碼圖案）。
結構光在物體表麵發生形變，由兩個或多個相機（jī）同步采集變形後的圖案。
通過計算機視覺算法（如相位法、雙（shuāng）目視差法）解析變形圖案（àn），計（jì）算出物體（tǐ）表麵各點的三維坐標。
特點：可一次性獲取大（dà）麵積三維數據（掃（sǎo）描範圍可（kě）達 1m² 以上），適合複雜曲（qǔ）麵（如汽車覆蓋件、人體模（mó）型），但（dàn）精度（dù）略低於激（jī）光三角法（通常 ±5-50μm）。
3. 工業 CT 掃描（斷層掃描）
原理：
X 射線源圍繞被測物體旋轉，發射 X 射線穿透物體，不同密度的材料對 X 射線的吸收率不同。
探測（cè）器接收透過物體的 X 射（shè）線，形成二維投（tóu）影圖像，通（tōng）過數百次不同角度的投影數據。
利用計算機斷（duàn）層重（chóng）建算法（如濾波反投影法），重構出物體的三維體積數據（包含內部結構（gòu））。
特點：可測量物體內（nèi）部缺陷、裝配間（jiān）隙等隱蔽特征，精度可達 ±1-10μm，但設（shè）備成（chéng）本高，掃描時間較長（數分鍾（zhōng）至數小時）。
4. 光譜共焦測量法（高（gāo）精度微米級）
原理：
光源發出多波長複合光，通過特殊物鏡（jìng）聚焦，不同波長的（de）光在不同距離處聚焦（形成軸向光譜）。
當光束照射到物體表麵時，隻有聚焦在表麵的波長會被清晰反射，通過光（guāng）譜儀解析反射光（guāng）的波長，即可確定物體表麵的高度（Z 軸坐標），X、Y 軸坐標由工作台移動或掃描機構獲取。
特點：垂直精度可達 ±0.1μm，適合測量鏡麵、透明材料（如玻璃、薄（báo）膜），但掃描速度較慢。
三、係統組成與工作流程
1. 硬件係統
傳感器模塊：激光測頭、結構光投影儀 + 相機、工（gōng）業 CT 球管（guǎn） + 探（tàn）測器（qì）等。
運動係統：三軸（X、Y、Z）精密導軌（通（tōng）常（cháng）由直線（xiàn）電機或伺服電機驅動），定位精度達 ±1-5μm。
工作台：花崗（gǎng）岩或碳纖維材質，確保高剛（gāng）性和低變形，部分配備旋轉台實現多角度測量。
控製係統：PLC 或專用控製器，控（kòng）製（zhì）傳感器移（yí）動和數據采集時序。
2. 軟件係統（tǒng）
測量軟件：如 PolyWorks、GOM Inspect、UG NX 等，功能包括：
傳感器校準：補償鏡頭畸變、激光束偏移等（děng）係統誤差。
掃描（miáo）路（lù）徑規劃：自動生成最優掃描軌跡，避免盲區和重複掃描。
數（shù）據處理：點雲濾（lǜ）波、降噪、拚接（多視（shì）角掃描時），將點雲數據轉化（huà）為（wéi）三角網格模型。
尺寸分析：對比 CAD 模型，計算形位公差（如平麵度、圓度、垂直度）、輪（lún）廓（kuò）偏差等。
3. 典型工作流程（chéng）
工件準備：清潔（jié）被測物（wù）體，必（bì）要（yào）時噴（pēn）塗顯影劑（結構光測量時（shí）增強反光（guāng））。
係統校（xiào）準：使用標準球或平麵板校準傳感器和坐標係。
掃描測量：傳感器按預設路徑（jìng）掃（sǎo）描物體（tǐ），采集三維點雲數據（單點（diǎn）數據量通常包含 X、Y、Z 坐標及顏（yán）色 / 強度信息）。
數據（jù）處理：去除噪（zào）點，拚接多視角點雲，生成完（wán）整三維模型。
公差分析（xī）：與設（shè）計模（mó）型比對，生成（chéng）偏差（chà）色譜圖和測（cè）量報告。
四、核心（xīn）優勢與應用場景
1. 優（yōu）勢
非接觸無損：避免探（tàn）針接觸導致的零件變形（如薄壁件、軟性材料）或表麵劃傷（如鍍膜零件）。
高效（xiào）麵測量：結構光和工業 CT 可（kě）快速獲取海量點（diǎn）雲數據（每（měi）秒數萬點），適合複（fù）雜曲麵全尺寸檢測。
三維全尺寸檢測（cè）：不僅測量外部輪廓，還可（kě）通過工業 CT 檢測內（nèi）部結構（如鑄件氣孔、裝配間隙）。
自動化集（jí）成：可與機器人集成，實現生產線在線檢測（cè）（如汽車門板（bǎn）衝壓後的全尺寸掃描）。
2. 典型應用
航空航天：渦輪葉片型麵檢測、複合材料構件缺陷分析。
汽車製造：車身覆（fù）蓋件衝壓精度檢（jiǎn）測、發動機缸（gāng）體內部通道測量。
電（diàn）子製造：PCB 板焊球高度（dù）測量、MEMS 微結（jié）構三（sān）維表征。
醫療行業：義齒、骨科植入物的個性（xìng）化三維建模與適配（pèi）檢測。
五、精度影響因素與（yǔ）校（xiào）準
1. 精度影響因素
傳感器分辨率：激光（guāng）測頭的光斑直徑（越（yuè）小精度越高）、相機像素（結構光測量（liàng）時）。
環境因素（sù）：溫度變化（影響導軌和（hé）工件尺寸）、振動（dòng）（導致掃描數據偏移）、光（guāng）照波動（影響圖像采集（jí））。
工件特性：反光（guāng）表麵（如鏡麵）需噴塗（tú）啞光劑，深色表麵可（kě）能吸收（shōu）激光導致信號弱。
2. 校準方法
定期幾何校準：使用標準球（直徑已知）進（jìn）行（háng）三維（wéi）空間校準，補償導軌直線度、垂直度（dù）誤（wù）差。
傳感器標定：激光測頭需標定激光束的角度和位置（zhì），結構光係統需標定投影儀與相機的相對位置（雙目視覺標定）。
溫度補償：在測量軟件中輸入環境溫度，係統自動補償材料熱（rè）膨（péng）脹係（xì）數（如鋼件溫度每變化 1℃，尺寸變化（huà）約 11ppm）。